Các hạt hạ nguyên tử là các khối xây dựng của vũ trụ, các thành phần nhỏ hơn nguyên tử. Chúng là nền tảng để hiểu các quy luật tự nhiên và cấu trúc của vật chất. Trong suốt bài học này, chúng ta bắt tay vào khám phá các hạt này, tính chất của chúng và cách chúng tương tác, đặt nền tảng cho việc tìm hiểu vật lý hạt.
Mô hình Chuẩn là lý thuyết mô tả ba trong số bốn lực cơ bản đã biết trong vũ trụ, ngoại trừ lực hấp dẫn, và phân loại tất cả các hạt hạ nguyên tử đã biết. Nó phân loại các hạt này thành fermion (hạt vật chất) và boson (chất mang lực).
Fermion còn được chia thành quark và lepton, trong khi boson bao gồm photon, boson W và Z, gluon và boson Higgs. Các quark kết hợp tạo thành proton và neutron, thành phần của hạt nhân nguyên tử, trong khi lepton bao gồm các electron, quay quanh hạt nhân.
Quark có sáu loại hay “hương vị”: lên, xuống, quyến rũ, lạ, trên và dưới. Chúng chịu đựng cả bốn lực cơ bản, bao gồm cả lực hạt nhân mạnh giữ chúng lại với nhau bên trong proton và neutron. Các quark không bao giờ được tìm thấy một cách cô lập do một hiện tượng gọi là "sự giam giữ màu sắc"; chúng tồn tại theo cặp hoặc nhóm ba, tạo thành các hadron như proton (hai quark lên và một quark xuống) và neutron (hai quark xuống và một quark lên).
Mặt khác, lepton không chịu lực hạt nhân mạnh. Electron là lepton được biết đến nhiều nhất, thường được tìm thấy trong đám mây bao quanh hạt nhân nguyên tử. Các lepton khác bao gồm muon, tau và các neutrino tương ứng của chúng, gần như không có khối lượng và tương tác rất yếu với vật chất.
Boson là các hạt trung gian cho các lực cơ bản. Photon là chất mang lực điện từ, trong khi các boson W và Z chịu trách nhiệm về lực hạt nhân yếu, chịu trách nhiệm về các quá trình phân rã hạt nhân. Các gluon mang lực hạt nhân mạnh, giữ các quark lại với nhau bên trong proton và neutron. Boson Higgs, được phát hiện vào năm 2012 tại Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC), có liên quan đến trường Higgs, trường mang lại khối lượng cho các hạt.
Mỗi loại hạt trong Mô hình Chuẩn đều có một phản hạt tương ứng, giống nhau về khối lượng nhưng trái ngược nhau về các tính chất khác như điện tích. Khi các hạt và phản hạt gặp nhau, chúng hủy nhau, chuyển khối lượng của chúng thành năng lượng theo phương trình Einstein, \(E = mc^2\) , trong đó \(E\) là năng lượng, \(m\) là khối lượng và \(c\) là tốc độ ánh sáng.
Một số thí nghiệm đóng vai trò quan trọng trong sự hiểu biết của chúng ta về các hạt hạ nguyên tử:
QCD là lý thuyết giải thích lực hạt nhân mạnh, một trong bốn lực cơ bản, hoạt động giữa các quark và gluon. Nó thừa nhận rằng các quark mang một đặc tính gọi là "tích màu" và sự trao đổi gluon, cũng mang điện tích màu, làm trung gian cho lực mạnh. Độ mạnh của lực mạnh giảm khi các quark đến gần hơn, một tính chất được gọi là “sự tự do tiệm cận”.
Lý thuyết điện yếu thống nhất lực điện từ và lực hạt nhân yếu thành một khuôn khổ duy nhất. Nó giải thích tại sao, ở mức năng lượng cao (chẳng hạn như những mức ngay sau Vụ nổ lớn), hai lực này hoạt động như một. Lý thuyết này dự đoán sự tồn tại của boson W và Z, sau đó được xác nhận bằng thực nghiệm.
Mặc dù thành công nhưng Mô hình Chuẩn vẫn chưa hoàn thiện. Nó không kết hợp với lực hấp dẫn, được mô tả bởi thuyết tương đối rộng, hay giải thích vật chất tối và năng lượng tối cấu thành phần lớn vũ trụ. Các lý thuyết như siêu đối xứng và lý thuyết dây đề xuất mở rộng Mô hình Chuẩn, đưa ra các hạt và khái niệm mới nhằm cố gắng giải quyết những bí ẩn này.
Tóm lại, các hạt hạ nguyên tử, thành phần cơ bản nhất của vật chất, là không thể thiếu để hiểu cấu trúc của vũ trụ và các lực cơ bản hình thành nên nó. Việc nghiên cứu các hạt này, thông qua các khuôn khổ lý thuyết như Mô hình Chuẩn và các thí nghiệm đột phá, tiếp tục thách thức và mở rộng kiến thức của chúng ta về vũ trụ.
